Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Постагрогенные дерново-подзолистые почвы под лесом и лугом в Подмосковье

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Постагрогенные дерново-подзолистые почвы под лесом и лугом в Подмосковье"

На правах рукописи

Хохлов Сергей Федорович

ПОСТАГРОГЕННЫЕ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫЕ ПОЧВЫ ПОД ЛЕСОМ И ЛУГОМ В ПОДМОСКОВЬЕ: СВОЙСТВА, ЭВОЛЮЦИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ ВОДНОГО БАЛАНСА

Специальность 03.02.13 - Почвоведение

3 О СЕН 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005562830

Москва-2015

005562830

Работа выполнена в ФГБНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор Герасимова Мария Иннокентиевна

доктор сельскохозяйственных наук Тонконогов Валентин Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова» Умарова Аминат Батальбиевна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой

почвоведения и экологии почв федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего образования "Санкт-Петербургский

государственный университет" Апарин Борис Федорович

Ведущая организация:

ФГБУН Институт биологии Коми НЦ Уральского отделения РАН

Защита состоится «18» ноября 2015 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.006.053.01 при ФГБНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева по адресу: 119017, г. Москва, Пыжевский пер., д. 7, стр. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева или на сайте института: esoil.ru/dissertation.html. Автореферат разослан «18» сентября 2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просьба присылать по адресу: 119017, г. Москва, Пыжевский пер., д. 7, стр. 2, Почвенный институт им. В.В. Докучаева, диссертационный совет. Факс: (495) 951-50-37, e-mail: lubimova@agro.geonet.ru

Ученый секретарь —

диссертационного совета «•

доктор сельскохозяйственных наук И.Н. Любимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В связи с резким сокращением площади пахотных земель, достаточно остро встает вопрос о дальнейшем землепользовании постагрогенных почв, изменениях их свойств и возможностей их использования. Научно обоснованное решение этой проблемы невозможно без изучения трансформации постагрогенных почв - изменения строения и вещественного состава почв, а также протекающих в них процессов.

Для практических нужд культурного луговодства и лесоразведения необходимо изучение влияния луговой и лесной растительности на прежнюю пахотную почву. Важно знать направления и скорость изменения почв, возможности их обратной трансформации в ценные пахотные угодья, а также получение научно обоснованных решений о переводе измененной пашни в ту или иную категорию земель (сельскохозяйственное угодье, лесные или прочие земли).

Степень разработанности темы

Обзор литературных источников показывает, что на фоне значительной изученности свойств и устойчивости пахотных горизонтов дерново-подзолистых почв и формирующих их процессов, информация о постагрогенной трансформации бывшего пахотного горизонта относительно невелика, а иногда и противоречива. Отмечаемая всеми авторами однородность свойств пахотного горизонта объясняет выделение его как единого образования в классификации 1977 г (Апах - А пахотный) и более дифференцированно в классификации 2004/2008. В последнем случае для дерново-подзолистых почв предусмотрены два разных горизонта, измененных земледельческим использованием: Р - агрогумусовый и РВ (РС) агроабразионный.

Исследования постагрогенных изменений верхней части профиля почв выявили следующие не вполне ясные или дискуссионные вопросы:

1. Каким образом трансформируются агрогенные признаки в верхней части почвенного профиля после прекращения использования почвы под пашню?

2. В каком направлении изменяется водно-тепловой режим постагрогенной толщи, как важный компонент условий функционирования почвы и фитоценоза?

3. Каковы особенности гумусового профиля в почвах под разными фитоцено-зами лесовосстановительных сукцессий?

4. На каком этапе постагрогенной эволюции проявляются признаки оподзоли-вания под лесом и лугом?

5. Какие агрогенные признаки наиболее устойчивы во времени?

6. Достаточно ли существующих диагностических характеристик (в классификации почв России 2004/2008) для отражения постагрогенной эволюции дерново-подзолистых почв?

В работе исследованы условия функционирования и пути трансформации по-стагрогенных горизонтов в различных биогеоценозах, формирующихся и сформированных по бывшей пашне: косимый луг и посадки ели.

Цель исследования

Выявить основные тренды трансформации постагрогенных дерново-подзолистых почв под лесными и луговыми ценозами и особенности элементов их водного баланса.

Задачи исследования

1) На основании имеющихся картографических сведений и литературных материалов выявить ареалы разновозрастных (от 20 до 100 лет) постагрогенных дерново-подзолистых почв под лесными и луговыми фитоценозами в Подмосковье. В пределах выявленных ареалов провести полевые исследования с особым вниманием к сохранившимся агрогенным и вновь сформированным морфологическим признакам.

2) Изучить особенности изменений элементов водного баланса и условий функционирования постагрогенных почв под развивающимися посадками ели и разнотравным косимым лугом на примере экспериментальных водно-балансовых площадок Подмосковной водно-балансовой станции на ключевом участке Сареево. Дать оценку свойств постагрогенных дерново-подзолистых почв в связи с гидротермическими показателями.

3) Провести детальный анализ изменений верхней части профиля дерново-подзолистых почв под косимым лугом и посадками ели на ранних стадиях постагрогенной эволюции с помощью комплекса морфологических методов исследования.

4) Изучить эволюцию морфологических свойств постагрогенной толщи под разновозрастными лесными и луговыми фитоценозами более поздних эволюционных стадий.

5) Представить эволюционный ряд постагрогенных почв по характеру строения постагрогенной толщи, используя различные сочетания морфологических признаков и генетических горизонтов в системе классификации почв России.

Научная новизна

На качественном и количественном уровнях дана оценка трансформации строения и свойств дерново-подзолистых почв, находящихся на начальных стадиях постаг-рогенной эволюции под различными искусственными фитоценозами, а также уточнена диагностика постагрогенных дерново-подзолистых почв более поздних стадий развития фитоценозов. Впервые предпринята попытка установить связь вновь приобретенных постагрогенных свойств дерново-подзолистых почв с элементами водного баланса.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость исследования заключается в расширении и углублении представлений о влиянии лесных и луговых фитоценозов на почвообразовательные процессы и их проявления в свойствах почв в течение длительного времени, начиная с нуль-момента. Показана роль развивающихся лесопосадок в изменении соотношения стоков воды в ранневесенний период в сравнении с лугом. Дана оценка отражения результата выявленных почвообразовательных процессов в классификации почв России.

Результаты исследования постагрогенных дерново-подзолистых почв могут быть использованы в практических целях при разработке мероприятий по рациональному природопользованию, мониторинге земель в южно-таежной зоне, специальных исследованиях постагрогенных почв - на экспериментальных участках и при составлении детальных (крупномасштабных) почвенных карт.

Положения, выносимые на защиту

1) В течение первых 20 лет существования постагрогенной почвы под посадками ели и лугом создаются разные условия функционирования, что отражается на водно-физических и морфологических свойствах почв. Под елью почвы «холоднее» и глубже промерзают по сравнению с лугом; в них больше объем впитывания воды с поверхности, как в талом, так и мерзлом состояниях. Сквозь постагрогенную толщу лесной почвы фильтруется примерно в 1,3 раза больше воды, чем сквозь толщу почвы под лугом.

2) Основные морфологические преобразования, физические и химические изменения в постагрогенной толще отчетливо проявляются спустя 20-25 лет. На лугу под влиянием развитой корневой системы трав формируется серогумусовый (дерновый) горизонт мощностью около 10 см. Под лесом преобразования охватывают всю постагрогенную толщу, появляются грубогумусовый, гумусовый и элювиальный горизонты. В элювиальном горизонте отмечаются слабые признаки альфегумусовой дифференциации. Со временем в лесных биогеоценозах развиваются естественные

признаки лесных почв, однако нижняя граница агрогоризонта в профиле почв сохраняется, по крайней мере, в течение 100 лет.

3) В возрастном ряду постагрогенных почв от нуль-момента до 100 лет выявлены эволюционные тренды, обусловленные влиянием трех растительных сообществ: лесных хвойного, смешанного, и лугового. Выявленные тренды отражаются в составе генетических горизонтов и временных генетических признаков.

4) В рамках классификации почв России (2004, 2008) сукцессионные ряды постагрогенных почв отображаются в формировании диагностических и переходных горизонтов, а также в обязательном присутствии признака (ра). Предложены дополнительные «временные» признаки, отсутствующие в классификации почв России, а также предложения к диагностике агрогенных и постагрогенных дерново-подзолистых.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивалась методически обоснованными целями и задачами и непосредственно характером проводимых исследований; использовалась система адекватных и взаимодополняющих методов, а также обширные литературные материалы, не противоречащие полученным результатам.

Основные положения по теме диссертации докладывались на заседаниях ученого совета и отдела генезиса, географии, классификации и цифровой картографии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева; результаты исследований были представлены в материалах научных конференций и съездов: Материалы IV съезда Доку-чаевского Общества Почвоведов (Новосибирск, 2004), 18th World Congress of Soil Science (Philadelphia, Pennsylvania, USA 2006), материалы Всероссийской научно-практической конференции «Агроэкологическое состояние и перспективы использования земель России, выбывших из активного сельскохозяйственного оборота.»; в научном отчете РФФИ Ks 03-04-48285-а «Постагрогенные почвы лесной зоны Европейской России: эволюция, диагностика, классификация», а также изложены в трех статьях в научных журналах, рекомендуемых ВАК.

Благодарности

Автор глубоко признателен научному руководителю - доктору биологических наук, профессору М.И. Герасимовой за консультации и всестороннюю помощь на каждом этапе работы; научному руководителю - доктору сельскохозяйственных наук В.Д. Тонконогову за идею и постановку темы и кандидату сельскохозяйственных наук Г.С. Базыкиной за помощь в использовании и интерпретации гидрологических

данных, Е.Б. Скворцовой за постоянную помощь и консультации по описанию и анализу физических свойств почв.

Структура и объем диссертационной работы.

Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка литературы из 131 источников и, 3 приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении показана сущность проблемы и приведены аргументы, свидетельствующие в пользу актуальности проблемы, рассматриваемой в диссертации. Продолжение актуальности работы содержится в главе 1.

В первой главе «Агрогеиные изменения дерново-подзолистых почв и их постагрогенная эволюция» проведен анализ публикаций по теме исследования. Рассматривается история землепользования в Московской области, обсуждаются современные представления о генезисе и свойствах дерново-подзолистых почв, агрогенные изменения морфологических и химических свойств дерново-подзолистых почв и вопросы их классификации, варианты постагрогенной эволюции дерново-подзолистых почв под разными фитоценозами. В результате было установлено, что на фоне сложившихся, хотя и разнообразных, представлений об агрогоризонтах, свойства постаг-рогенных дерново-подзолистых почв изучены недостаточно детально, а в интерпретации протекающих в них процессов имеются некоторые противоречия.

Во второй главе «Объекты и методы исследований» определены требования к объектам исследования, обоснован выбор ключевых участков и дана общая характеристика природных условий территории объектов исследований.

Объектами исследования были постагрогенные суглинистые дерново-подзолистые почвы на пылеватых покровных суглинках. Все объекты долгое время находились под пашней, после чего на месте пашни были созданы насаждения быстрорастущих хвойных пород или эти территории использовались как сенокосное угодье.

Общая характеристика территории объектов исследования включает описание: геологического строения и рельефа, почвообразующих пород, климатических условий, растительного и почвенного покрова и почв.

Характеристика ключевых участков содержит сведения о их местоположении, составе объектов и объеме исследований.

Для исследований были выбраны три ключевых участка (табл. 1).

Таблица 1.

Сводная таблица основных разрезов на ключевых участках См. замену в файле_

Угодье Возраст, лет Количество разрезов Растительность

Участок «Сареево»

Пашня >60 2 3-й год под многолетними травами

Луг 23 6 Косимый луг

Посадки ели 23 6 Посадки ели мертвопокровные

Лес >80 2 Елово-березовый широкотравный

Участок «Зеленоградский»

Луг -60 2 Зарастающий луг разнотравный

Посадки -60 6 Еловые с подростом березы широкотравные

Лес > 100 2 Ельник-кисличник, метвопокровная парцелла

Участок «Малинки»

Посадки - 100 2 Еловый и сосново-еловый широкотравный

Лес > 100 1* Ельник-кисличник

* - данные О.Ю. Барановой

Основным является ключевой участок «Сареево» в Одинцовском районе на территории Подмосковной Водно-Балансовой станции на окраине поселка Большое Сареево. Для 23-летних постагрогенных почв на стоковых водно-балансовых площадках (ВБП) были получены данные многолетних наблюдений снегомерной съемки, глубины промерзания, количества воды в твердых и жидких осадках, расхода воды. Эти данные использованы в настоящей работе для оценки условий функционирования и сравнения особенностей водного режима почв за длительный период времени. Площадки находятся на пологом (2-3°) склоне юго-восточной экспозиции к ручью Прогоны. Схема расположения площадок приведена на рис. 1.

Каждая ВПБ имеет размеры 20x60 м, и по ее периметру сооружены бетонные перегородки, которые заглублены в водоупорный горизонт на глубину 1 м. Борта перегородок выше основной поверхности на 20 см.

Рисунок 1. Схема расположения площадок: а) в плане и б) поперечный профиль водно-балансовой площадки под косимым лугом, где: 1-водно-балансовая площадка; 2-помещение для сбора и учета стоков; 3-русло ручья Прогоны.

Объектами исследования являлись 23-летние постагрогенные почвы под посадками ели и лугом, а также почвы на пашне и в условно коренном лесу.

Ключевой участок «Зеленоградский» находится в Пушкинском районе в окрестностях Зеленоградского стационара ФГБНУ Почвенного института им. В.В. Докучаева. На этом участке объектами исследования служили постагрогенные дерново-подзолистые почвы под посадками ели 30- и 60-летнего возраста, а также дерново-подзолистые почвы под естественным ельником-кисличником в мертвопокровной парцеле.

Ключевой участок «Малинки» находится в Подольском районе в Малинском лесничестве в окрестностях Биогеоценологической станции "Малинки" Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН. Объектом исследования были постагрогенные дерново-подзолистые почвы под посадками хвойных пород 100-летнего возраста.

Методы исследований. Основным критерием диагностики постагрогенных почв считается естественная дифференциация бывшего пахотного слоя по свойствам на горизонты и/или подгоризонты и сохранение его нижней границы. Концепция генетических горизонтов и признаков, их выделение и индексация в настоящей работе проводится в соответствии с субстантивно-генетической классификацией почв: «Классификацией и диагностикой почв России» 2004 г. и «Полевого определителя почв России» 2008 г.

Полевые и лабораторные исследования проводились общепринятыми методами (Розанов, 1983; Воробьева, 1998; Шеин, 2011).

Определения физических, химических и физико-химических свойств почв были выполнены сотрудниками аналитической лаборатории Почвенного института. Использовались традиционные аналитические методы для следующих видов анализов: рН водный и солевой - потенциометрический метод измерения со стеклянным и проточным хлорсеребряным электродом сравнения при соотношении почва/раствор 1:2.5; обменная кислотность по Гедройцу и гидролитическая кислотность по Каппену. Гумус анализировался по Тюрину; обменные катионы - по Шоленбергу; оксалаторас-творимые формы железа по Тамму и дитионит-растворимые формы железа по Мера и Джексону (Воробъева, 1998).

Мезоморфологические исследования образцов почвы проводились в отраженном свете с помощью цифрового микроскопа Ks-is Digi Scope II v.3. Диапазон увеличения: 10Х - 230Х (на дисплее монитора 17"). Изображения в тексте диссертации

9

представлены с увеличением 8Х и 24Х.

Шлифы исследовали методами качественной микроморфологии с применением оптического минералогического микроскопа Olympus ВН-2 и методами компьютерного анализа изображения с помощью системы Диа-Морф - Cito-W. Фотографии в тексте диссертации представлены с увеличением 48Х в проходящем свете и с увеличением 98Х в скрещенных николях.

Изучены показатели многолетних данных метеонаблюдений и элементов водного баланса почв на двух стоковых водно-балансовых площадках на косимом лугу и в посадках ели. В работе использовались данные наблюдений и измерений за период с 1981 по 2003 годы следующих величин: поверхностный и внутрипочвенный стоки талых и дождевых вод по месяцам; мощность снежного покрова (с даты образования снежного покрова и до конца полного схода снега с поверхности почвы); величина верхней и нижней границы промерзания почвы до даты полного оттаивания; запасы воды в снеге в начале весеннего снеготаяния и количество атмосферных осадков с момента начала снеготаяния и конца половодья (ранневесенний период); величины поверхностного и внутрипочвенного стоков в ранневесенний период, дата начала и конца снеготаяния.

На основе этих данных были подсчитаны доли стоков в различные периоды года, проведены водно-балансовые расчеты и подсчитаны общий запас воды (ОЗВ) и величина ее расхода на инфильтрацию и эвапотранспирацию в ранневесенний период. Определялась разница различных видов стока между воднобалансовой площадкой с развивающимися еловыми посадками и косимым лугом, а также скорости снеготаяния, запасов снега, глубины промерзания.

Проведено сопоставление свойств одновозрастных постагропочв под различными фитоценозами с условиями их функционирования за 23-летний период существования. Кроме того, рассмотрены изменения морфогенетических свойств в возрастном ряду посадок ели до 100 лет.

В третьей главе «Элементы водного баланса постагрогенных почв под лугом и лесом» рассматриваются динамика запасов и расхода воды в постагрогенных почвах.

Климатические особенности, определяющие соотношения элементов водного

баланса почв в многолетних циклах по сезонам. По данным многолетних наблюдений

установлено, что за период апрель - октябрь выпадает 58% (477 мм) годовой суммы

осадков с отчетливым максимумом в июле. Боковой сток в этот период составляет

10

всего 21 % общего годового стока, поскольку основная часть атмосферных осадков расходуется на промачивание почвы и эвапотранспирацию. На холодные месяцы (ноябрь - март) приходится 42 % (246 мм) выпавших годовых осадков, которые аккумулируются в виде снега и являются основным источником талых вод, формирующих боковой сток, который составляет 79 % общего годового стока. Соотношение ОЗВ и расхода в весенний период являются важными элементами водного баланса и определяют величину влагозарядки почв.

Образование и поступление воды в период снеготаяния определяется, прежде всего, запасом ее в снеге, а также количеством осадков, которое выпадает за время от срока последней снегомерной съемки, до конца снеготаяния (обычно март-апрель). Это измеренное количество воды называют общим запасом воды (ОЗВ). В многолетней динамике ОЗВ выделены три периода обусловленные ростом деревьев в посадках. В первые годы (1981-1986) ОЗВ на обоих участках был одинаковым, во втором периоде, когда посадки были полупроницаемы (1987-1991) он был больше в лесу, в третьем (19922003) периоде из-за плотного полога посадок ОЗВ был больше под лугом.

Снежный покров. С гидрологической точки зрения он представляет собой временно законсервированные запасы воды, которые в теплый сезон оказывают влияние на сток рек и гидротермический режим почв. За все время наблюдения скорость снеготаяния была больше на лугу, и наибольшая разница в значениях скорости отмечена с 1999 г. до конца срока наблюдений — 2003 г. Продолжительность снеготаяния на обоих участках в первую половину периода наблюдений (1981-1991 гг.) была практически одинаковой, впоследствии (1992-2003 гт.) снеготаяние под ельником заканчивалось позже (на 2-20 дней), несмотря на то, что мощность снежного покрова с 1997 г. здесь была меньше. Эти различия в скорости снеготаяния обусловлены в первую очередь различиями получаемого количества тепла попадающего на дневную поверхность на лугу и в загущенном ельнике. Снежный покров и глубина промерзания/оттаивания почв существенно зависят от типа фитоценоза. Сопоставление данных по мощности снежного покрова и глубине промерзания почв на участках наблюдений показало, что в начальный период 1981-1986 гг. глубина промерзания почв, как и мощность снежного покрова, на сравниваемых участках незначительно отличались друг от друга. Позже почвы под лесом были холоднее и промерзали глубже, чем под лугом, даже в период 1987-1990 гг. когда снега в лесу накапливалось больше. Почвы под лугом оттаивали более быстрыми темпами, чем под ельником. В период 198186 гг., несмотря на то, что глубина промерзания почв была практически одинаковой,

11

полное оттаивание почв луга происходило на 6-16 дней раньше. С 1998 г. по 2003 в густом ельнике снеготаяние почти ежегодно заканчивалось на еще промерзших почвах; в отдельные годы (1998, 2003 гг.) мерзлый слой почвы на глубине 65-85 см сохранялся до конца первой декады мая.

Расход общего запаса воды в период снеготаяния. Общий запас воды в период между началом снеготаяния и окончанием половодья, в основном расходуется на инфильтрацию в почву, оставшаяся часть, не успевая просочиться вглубь почвы, уходит боковым внутрипочвенным или поверхностным стоком. Сравнение видов стоков на лесной и луговой площадках в ранневесенний период показало, что за весь период наблюдений (23 года) на инфильтрацию воды в лесу приходится 68 % от ОЗВ, на лугу - 48 %; внутрипочвенный сток в лесу составил 16 %, на лугу 30 %, и поверхностный сток, соответственно, 16 % и 22 %.

Величины стоков в промерзшей и талой почве. Чтобы разобраться, насколько различны водно-физические свойства сравниваемых почв под лугом и лесом необходимо «избавиться» от фактора мерзлоты, которая служит экраном для инфильтраци-онного стока талой воды. По имеющимся материалам регулярных измерений глубины верхней и нижней границы промерзания почв с 1981 по 2003 год, были выявлены годы, когда снеготаяние проходило по мерзлой и по талой почве. Достоверно известно, что весной в 8 случаях снеготаяние начиналось по талой почве и в 10 случаях по мерзлой почве. В среднем с поверхности талой почвы на лугу в почву поступает 93 % воды от ОЗВ, в лесу 96 %; с поверхности мерзлой почвы на лугу в почву поступает 59 %, в лесу 66 %. Таким образом, промерзание существенно влияет на просачивание талой воды в почву: оно снижает его под лугом в среднем на 34 %, а под лесом на 30 %. Из приведенных данных следует, что водно-физические свойства лесной почвы способствуют большему впитыванию воды с поверхности. Однако часть впитавшейся воды стекает боковым внутрипочвенным стоком. На графике (рис. 2) видно, что линейный тренд внутрипочвенного стока под лесом существенно ниже, чем под лугом, а линейный тренд инфильтрации под лесом выше.

Результаты ранее проведенного опыта в Сареево (Субботин, Дыгало, 1963) по интенсивности водопоглощения на пашне, лугу и в лесу показали, что основные различия в водно-физических свойствах наблюдаются в поверхностных горизонтах, а в текстурном горизонте несущественны. Средняя интенсивность впитывания текстурного горизонта равна 0,49 мм/мин, а средняя интенсивность установившейся фильтрации 0,14 мм/мин.

150 -

100 -

50 -

— — Линейный (Инфильтрация (Луг)) X -Линейный (Инфильтрация (Лес))

— —Линейный (Внутрипочвенный (Луг))

О Инфильтрация (Луг)

Ж Инфильтрация (Лес)

д Внутрипочвенный (Луг)

X Внутрипочвенный (Лес)

Линейный (Внутрипочвенный (Лес))

Полиномиальный (Инфильтрация (Луг))

О -1-Х 90

впитывание, мм

мм

Полиномиальный (Внутрипочвенный (Луг))

140

190

240

Рисунок 2. Зависимость стоков в талой почве от величины общего запаса воды а) лес; б) луг.

Таким образом, высокие значения бокового внутрипочвенного стока под лугом относительно леса свидетельствуют о том, что впитывающая способность постагрогенной толщи под лугом меньше. Однако соотношения значений стоков в талых почвах под лугом сильно варьируют (полиномный тренд 5 степени) и «коридор» из пунктирных линий трендов внутрипочвенного стока и инфильтрации периодически расширяется, что обусловлено разрыхляющей деятельностью кротов, эпизодически заходящих на луг и дренирующих почву вертикальными ходами на всю постагрогенную толщу.

В четвертой главе «Морфологическая и аналитическая характеристика почв» изложены результаты детальных исследования морфологии на разных уровнях: макроморфологическом, т.е. в почвенном профиле, мезоморфологическом при увеличениях 8х и 24х и микроморфологическом с поляризационным микроскопом в интервале увеличений 50 - 100Х.

Предложения по индексации морфологических признаков в диагностике почв. При морфологическом описании возникла необходимость обращать внимание на некоторые биогенные признаки, которые отражают обнаруженные в ходе исследования явления, и обозначать их в качестве дополнительных к уже имеющимся в классификации диагностическим горизонтам и генетическим признакам дерново-подзолистых почв. Предложения относятся к проявлениям жизнедеятельности почвенной биоты.

а) Почвенная флора (0. В эту группу, помимо частей высших растений, включаются еще водоросли, грибы и лишайники - все те формы жизни, которые не движутся, а остаются на месте, стелются и разрастаются.

fr-(root) большое количество корней травянистой растительности, образующие дернину;

fmc - (mycelium) Обильный грибной мицелий, который в силу своих особенностей «осветляет» горизонт, иногда создавая в профиле видимость элювиального или подзолистого признаков. Способствует фиксации и консервации результатов жизнедеятельности почвенных животных, б) Почвенная фауна (z).

zcp — (coprolites) присутствие большого количества экскрементов дождевых червей, которые определяют структуру почвы,

zkr - (krotovina) наличие кротовин в горизонте.

Агрогенные дерново-подзолистые почвы (под современной пашней). В качестве исходной почвы, или «0-момента», рассматривается пахотный слой дерново-подзолистой почвы в Сареево и Сатино (север Калужской области). Обобщая сведения по макроморфологии агроземов в Сареево, в частности пахотного слоя (Р12), по мезоморфологии агроземов Сатино и литературные данные по агрогенной трансформации почв и дифференциации пахотного слоя (Караваева, Жариков, Кончин, 1985; Караваева, Лебедева, Скворцова, 2004), можно отметить, что пахотный слой, несмотря на его периодическое перемешивание, имеет вполне отчетливую дифференциацию по плотности, структуре и новообразованиям. В верхней части пахотный слой подвергается регулярным обработкам, разрыхлен, перемешан (морфоны прежних горизонтов AY и EL), относительно оструктурен и содержит максимальное количество органических остатков. Нижняя часть более стабильна, хуже аэрируется, в ней имеет место перераспределение соединений железа; она компактна, и поровое пространство в основном состоит из ходов корней и щелевидных пор упаковки. В ее строении, очевидно, значительную долю составляет материал горизонта BEL.

Молодые постагрогенные дерново-подзолистые почвы под лесом и лугом. Ключевой участок Сареево. Постагрогенные дерново-подзолистые почвы на покровных суглинках под посадками ели и косимым лугом находятся в одинаковых литолого-геоморфологических условиях, граничат друг с другом и имеют общую агрогенную, а также частично общую постагрогенную историю.

Морфология и характеристика постагрогенной толщи лесной площадки. ГГо-стагрогенная толща под лесом полностью преобразуется по сравнению с пахотной, и ее морфологическое строение выражается формулой АУ-АУ/ЕЬра-ЕЬра (рис. 3). Под

тонким слоем слаборазложившего-

О

AYfmc, zcp

AY/EL fmc, zcp

AY/EL zcp

ELpa

О

AYfmc, zcp

AY/EL fmc, zcp

ELpa

Рисунок 3. Схема строения почвенных профилей на лесной площадке (лес) в верхней и нижней частях склона.

ся хвойного опада, а местами и прямо на поверхности, образовался копрогенный, комковато-зернистый горизонт АУгср мощностью около 5 см. В нижней части толщи оформился элювиальный горизонт с хорошо выраженной плитчатой структурой, причем поверхность плиток дифференцирована: верхняя - светлая, с обиль-

ными силтанами, нижняя - буровато-палевая со слабой пропиткой гумусово-железистыми соединениями.

Структурные отдельности (плитчатые и копрогенные агрегаты) непрочные. Еще одной отличительной особенностью почв молодых посадок ели является обилие грибного мицелия (йпс) в верхней части постагрогенной толщи, возможно, способствующего сохранности копролитов.

Морфология и характеристика постагрогенной толщи луговой площадки. Постагрогенная толща под лугом преобразуется только в верхней части и ее морфологическое строение выражается формулой АУ-Ре1-(Рра) (рис. 4). Образовавшийся

в корнеобитаемой зоне луговых

AYfr zcp

AYzcp

Ре1 (Рра)

AYfr zcp

AYzcp

Рисунок 4. Схема строения почвенных профилей под лугом в верхней и нижней частях склона.

трав гумусовый горизонт мощностью общей мощностью около 10 см, в верхней части обильно пронизан корнями (АУА:) и состоит в основном из копролитов (АУгср). Ниже 10 см постагрогенная толща слабо преобразована и имеет уплотненную комковато-

массивную структуру с нечеткими элементами плитчатой структуры.

15

Сравнительный анализ морфологии постагрогенной толщи под лесом и лугом показал различия морфологических свойств, которые обусловлены влиянием растительности и различиями условий функционирования.

В лесу под еловыми посадками вся постагрогенная толща имеет структуру, обусловленную деятельностью почвенных животных, в нижней части налагаются процессы, формирующие плитчатую структуру, которую обычно связывают с циклами промерзания — оттаивания (Качинский, 1927; Мухин, 1961, Рогов, 2009). Поровое пространство представлено межагрегатными порами, корневыми ходами и камерами почвенных животных, а также мелкими внутрипедными порами. Плотность толщи изменяется сверху вниз от 0,9 до 1,2 г/см3, и она обильно пронизана грибным мицелием, характерным для фитоценозов с хвойными породами.

Под лугом зоогенная переработка видна только в новообразованном гумусовом горизонте, ниже заметного влияния современных процессов, связанных с педофау-ной, не обнаружено, и постагрогенная толща в основном сохраняет свойства характерные для пахотного горизонта. Поровое пространство в гумусовом горизонте представлено большим количеством пор разного размера и формы, как и в почвах под еловыми посадками; ниже преобладают мелкие поры во внутрипедной массе. Плотность толщи изменяется сверху вниз от 1,0 до 1,4 г/см3.

Количество глинистых кутан также различно: в лесной почве свежих кутан практически нет, обломки кутан появляются только изредка в переходном горизонте и даже в горизонте BEL их немного. В луговой почве кутан заметно больше во всех горизонтах, есть свежие кутаны. Можно предположить, что в лесной почве элювии-рование было весьма активным и глинистого вещества в постагрогенной толще осталось мало. В почве под лугом лессиваж еще имеет место, вероятно, за счет сохранившегося глинистого вещества. О прежнем протекании процесса свидетельствуют многочисленные обломки натеков.

Сравнительный анализ химических показателей свойств постагрогенной толщи лесной и луговой площадок, показал, что почвы двух площадок мало различаются по химическим и физико-химическим свойствам, распределение ряда показателей однородно в пределах постагрогенной толщи. Различия между почвами проявляются в наиболее лабильных их свойствах: актуальной и обменной кислотности и содержании поглощенных оснований, которые отражают влияние лесного и лугового фитоценозов.

Постагрогенные дерново-подзолистые почвы длительного нахождения под лесом и лугом. Изучение более поздних стадий постагрогенной эволюции дерново-подзолистых почв проводилось на участках с длительными лесным и луговым режимами.

Морфология и характеристика постагрогенной толщи под посадками ели 60-летнего возраста. К моменту исследования объекты представляли собой ельники с примесью березы и травянистым ярусом с господством широкотравья. Мертвопок-ровных 60-летних ельников «по пашне» не было обнаружено, и постагрогенные почвы таких ельников изучались в мертвопокровных еловых парцеллах смешанного леса.

В лесных почвах в пределах постагрогенной толщи выделяется 3 горизонта: АУ-АУ/ЕЬра-ЕЬра. Мощность постагрогенной толщи в исследуемых почвах колеблется в пределах 19-30 см. Наибольшие изменения в почвах 60-летних посадок ели отмечаются в гумусовом горизонте. В широкотравных ельниках с участием липы или липы с березой содержание гумуса в гумусовом горизонте заметно повысилось и гумусовый профиль в постагрогенной толще однороднее по сравнению с почвами мерт-вопокровного ельника. Структура горизонта АУпредставлена зернистыми агрегатами различного размера, тогда как в почвах под 23-летними посадками преобладают одноразмерные округлые копрогенные агрегаты. Свойства почв, характерные для 23-летнего мертвопокровного ельника, остались без изменений в его 60-летнем аналоге.

Морфология и характеристика постагрогенной толщи под зарастающим лугом 60-летнего возраста. В профиле почв луга также выделяются 3 горизонта в пределах постагрогенной толщи, общая формула которой несколько отличается от общей формулы постагрогенной толщи почв того же возраста под лесом: АУ-ЕЬра-Ре1. Гумусовый горизонт (АУ) серого цвета, мелкокомковато-порошистый, рыхлый, легкий суглинок, много корней трав; он сменяется элювиальным постагрогенным горизонтом ЕЬра палевого цвета с серым оттенком, который имеет хорошо выраженную плитчатую структуру; плитки крупные, твердые, толщиной 2-2,5 мм, верхние грани плиток светлее нижних. Глубже в горизонте Ре1 плитчатая структура сменяется на комковато-массивную с элементами плитчатости. Можно предположить, что сохранение элементов агрогоризонта отражает меньшие преобразования под лугом, чем под лесом.

Сравнительный анализ химических показателей свойств постагрогенной толщи под 60-летними еловыми посадками и лугом показал незначительные различия в содержании и распределении поглощенных оснований и железа. Основные различия

проявляются в актуальной и обменной кислотности, а также в содержании и распределении гумуса, которые отражают влияние конкретного биогеоценоза.

Сумма обменных Са2+ и Mg2+ в постагрогенной толще варьирует по горизонтам, но изменения с глубиной обнаруживают общий тренд - увеличение в гумусовом горизонте. Содержание несиликатных форм железа мало изменяется в постагрогенной толще, составляя для дитионит-растворимого железа 0,7-1,1, для оксалаторастворимого 0,4-0,6 %.

Морфологические и химические свойства постагрогенной толщи под посадками ели 100-летнего возраста. Исследованы мертвопокровная и широкотравная парцеллы в сосново-еловых посадках, в целом сходных с типами леса 60-летнего возраста. Общая формула строения постагрогенной толщи не изменилась: АУ-АУ/ЕЬра-ЕЬра, однако существенно изменились свойства гумусового горизонта, который стал неоднородным, как по мощности, так по структуре и плотности. В сравнении с 60-летними посадками отмечается легкое осветление в нижней части постагрогенной толщи (АУ/ЕЬра-ЕЬ), а горизонт ЕЬра имеет палевый цвет без оттенков бурого или серого.

Так же как и в 60-летних посадках, в нижней части постагрогенной толщи 100-летнего ельника реакция среды слабокислая (рНВ0Д. = 4,8). Близкие результаты были получены О.Ю. Барановой и др. (Баранова и др., 1989) при исследовании почв под 100-летними искусственными сосняками с елью по бывшей пашне в соседних кварталах этого же лесничества. Содержание дитионит-растворимого железа во всей постагрогенной толще составляет 1,0 %, оксалаторастворимого - 0,5- 0,6 %.

Дерново-подзолистые почвы под условно-коренными лесами. Все условно-коренные леса, под которыми изучались почвы, представляют собой естественные биогеоценозы, длительное время существовавшие как лесные. В почвах под ними отсутствуют признаки былой распашки, и профиль содержит набор горизонтов характерный для дерново-подзолистых почв. В общих чертах сравниваемые почвы различаются структурным состоянием верхней части профиля до текстурного ВТ горизонта. Структура гумусовых горизонтов обусловлена большим количеством копролитов, размеры которых различны в сравниваемых разрезах: они крупнее (5 мм) в гумусовом горизонте елово-березового леса, чем дубово-елово-березового.

Химические показатели лесных почв незначительно отличаются друг от друга. Наиболее кислая реакция среды отмечается в гумусовом горизонте ельников. Минимальные величины обменных оснований, как и в предыдущих случаях, отмечаются

непосредственно под гумусовым горизонтом, что, скорее всего, обусловлено влияни-

18

ем биологического круговорота и удержанием оснований в гумусовом горизонте. Ок-салаторастворимое железо в толще до гор. ВТ содержится в пределах 0,3-0,5 %, почти не меняясь с глубиной. Содержание дитионит-растворимого железа колеблется в диапазоне 0,9-1,3 %, и оно изменяется по горизонтам: меньше всего его в горизонте ЕЬ.

Хуоноряды постагрогенной трансформации почв. Ряды строятся для постагро-генной толщи и начинаются с пашни. Кроме морфологических свойств почв, учитывается наиболее информативный аналитический показатель - содержание гумуса. Хроноряды постагрогенных дерново-подзолистых почв, начинающих функционировать под еловыми посадками, распределяются по двум группам: в первой рассматриваются почвы мертвопокровных ельников, вторая включает почвы смешанных травянистых лесов; третий хроноряд - луговой.

В почвах мертвопокровного ряда (рис. 5) уже через 23 года после посадки елей формируется маломощный грубогумусовый горизонт, хорошо выраженная структура в каждом горизонте постагрогенной толщи, тип которой меняется с глубиной. Для гумусового горизонта характерна зернисто-комковатая копрогенная структура и большое количество грибного мицелия, а также низкая плотность (0,8-0,9 г/см3). С глубиной в структуре все более ясно прослеживается плитчатость.

0 1 2 3 4 5 6

Пашня

30 лет

60 лет

100 лет

AYpmc, zcp AYpmc, zcp AY

р AY/EL EL/AY (EL/AY)

ELpa ELpa ELpa

PI 2-04

РЗ ель

Р2-09 Т5 ель

Р2-87, Т18

Рисунок 5. Мертвопокровный хроноряд.

Гумусовый профиль в постагрогенной толще со временем изменяется, содержание гумуса в нем постоянно выше по сравнению с почвой пашни, с глубиной оно закономерно уменьшается тем заметнее, чем старше фитоценоз. Переходный горизонт AY/EL со временем трансформируется в переходный EL/AY. Элювиальный по-стагрогенный горизонт по своим морфологическим свойствам приближается к нижележащему естественному горизонту EL или BEL . Определенным отличием от естественного элювиального (по его определению в «Классификации и диагностике почв России, 2004») является специфический палевый цвет постагрогенного горизонта.

19

Нижняя граница постагрогенной толщи во всех почвах ряда до 100 лет резкая и хорошо диагностируется по цвету.

Хроноряд почв под посадками ели с примесью мелколиственных пород и широкотравьем в нижнем ярусе (Рис. 6). Как и в предыдущем случае, происходит дифференциация на три горизонта, но по мере роста мелколиственных пород и развития травяного покрова изменяются условия функционирования и свойства почв. Гумусовый горизонт неоднородный по плотности, структуре и мощности. Структура гумусового горизонта, в основном, обусловлена большим количеством экскрементов почвенных животных, но бывают зоны разуплотнения с мелкокомковатой или комковато-порошистой структурой.

Пашня

30 лет

60 лет

100 лет

AYpmc, zcp AYzcp AY

р AY/EL -► AY/EL -► AY/EL

ELpa ELpa EL(pa)

Р12-04

РЗ ель

Р1-10 Р4-10

Р2-05

10

30 40

гумус, % r

f

—■ПЭШНЯ

I — —30 лет

/ s - - - 60 лет 100 лет

Рисунок 6. Елово-мелколиственный хроноряд.

В отличие от предыдущего ряда в гумусовом горизонте отсутствуют видимые следы грибного мицелия. В средней части постагрогенной толщи переходный горизонт AY/EL имеет плитчатую структуру с гумусовыми пленками на поверхности плиток. В нижней части постагрогенной толщи (горизонт ELpa) формируется плитчатая структура той или иной степенью выраженности.

Нижняя граница постагрогенной толщи резкая, ясно диагностируется по цвету.

В луговом ряду максимальный возраст постагрогенных почв ограничивается 60 годами (Рис. 7). В постагрогенной толще 30-летнего луга образовался хорошо выраженный гумусовый горизонт, густо пронизанный корнями трав; его плотность равна 1,1 г/см1. Оставшаяся нижняя часть постагрогенной толщи, напротив, сильно уплотнена (1,5 г/см3) и сохранила признаки бывшего пахотного горизонта, в котором проявлялись лишь черты элювиального горизонта. Под 60-летним лугом структурное состояние гумусового горизонта не изменилось; содержание гумуса постепенно уменьшается с глубиной.

Нижняя граница постагрогенной толщи в почвах 30- и 60-летнего ряда резкая и хорошо диагностируется по цвету.

Пашня

30 лет

60 лет

2 3 4 5 6

Р АУЛ гер АУ

(Ре1) ЕЬра

Рра Ре1

Р12-04

Р2-03 Р10-03

РЗ-10

0 10

Е

о

га ¡20

ю -

с

30

40

гумус,

■ пашня

■ 30 лет 60 лет

Рисунок 7. Луговой хроноряд.

Как было показано ранее, почвы рассмотренных рядов уже на начальной стадии постагрогенной истории дифференцируются на горизонты в пределах прежней пахотной толщи. Образовавшийся гумусовый горизонт имеет различные физико-химические свойства в сравниваемых рядах, и во всех случаях в нем отсутствуют видимые морфологические признаки пахотного этапа, поэтому в схемах и формулах профилей постагрогенных слоев серогумусовый горизонт обозначается без признака «постагрогенный - ра».

Характер нижней границы постагрогенной толщи. Граница постагрогенной толщи с нижележащим естественным горизонтом традиционно рассматривается как главный аргумент в пользу пахотного прошлого почвы. «Неестественно ровная» нижняя граница гомогенного горизонта входит в число критериев постагрогенного признака в классификации России (2004, 2008). С другой стороны, длительность сохранения границы в дерново-подзолистых почвах оценивается по-разному. Одна группа исследователей считает, что к 100 годам существования леса границу определить почти невозможно, другие описывают ее и в 170-летних насаждениях.

При описании разрезов на всех трех ключах было установлено, что характер перехода к естественным горизонтам зависит от свойств нижележащего горизонта, с одной стороны, и от свойств постагрогенной толщи, с другой. Определяется переход между горизонтами в основном по окраске, различия в структуре, как правило, мало заметны. Вместе с тем, выяснилось, что отсутствует ясная зависимость между возрастом фитоценоза и ясностью перехода, в самых старых лесах - 100-летних, во всех рядах граница оставалась ясной и резкой по цвету. Менее постоянна форма границы.

Линия границы почти никогда не была ровной, иногда она осложняется зоогенными

21

нарушениями. Было выделено 5 вариантов формы нижней границы постагрогенной толщи: зубчатая, волнистая, ступенчатая, слабоволнистая и фестончатая.

Выводы

1. На прежних залежных участках под растущими еловыми посадками резко уменьшается поток тепла и количество зимних осадков, поступающих на поверхность почвы, что приводит к понижению температуры и промерзанию на глубину, большую, чем под лугом. В почвах под лесом в нижней части бывшего пахотного горизонта формируется непрочная криогенная плитчатая структура. В почвах под лугом заметного влияния низких температур на формирование структуры не выявлено.

2. Сравнение водного режима постагрогенных почв на ключевых участках показало, что посадки ели уже за первые 20 лет роста изменяют водно-физические свойства постагрогенной толщи. В лесу впитывается больше воды с поверхности талых и мерзлых почв, проникающей вглубь профиля. Под лугом в сравнении с лесом возрастает доля поверхностного и внутрипочвенного стока, что снижает объем воды, проходящий сквозь почвенный профиль. В отдельные годы на лугу увеличение впитывания происходит за счет инфлюации, вызванной периодическим появлением кротов.

3. Продолжительность постагрогенного режима (20 лет) достаточна для отчетливого проявления основных преобразований в постагрогенной толще. Они обусловлены современными почвенными процессами и отражают специфику растительности. Под влиянием развитой корневой системы луговых трав преобразуется верхняя (0-10 см) часть постагрогенной толщи и формируется серогумусовый (дерновый) горизонт. Под лесом преобразования охватывают всю постагрогенную толщу, формируется грубогу-мусовый, гумусовый и элювиальный горизонты. В элювиальном горизонте обнаруживаются слабые признаки альфегумусового процесса (дифференциация верхних и нижних поверхностей плитчатых агрегатов). При дальнейшем развитие лесных фитоцено-зов усиливается выраженность признаков лесных почв, однако нижняя граница постагрогенной толщи в профиле почв сохраняется, по крайней мере не менее 100 лет.

4. Детальное изучение морфологии постагрогенной толщи позволило идентифицировать и охарактеризовать серогумусовый и элювиальный горизонты - AY и EL, измененные бывшие пахотные горизонты - Р с дополнительными генетическими признаками (el, pa), имеющиеся в классификации почв России. Дополнительно описаны переходные образования - AY/EL, EL/AY и диагностические признаки (fmc, fr, zcp, zkr), подчеркивающие особенности строения профиля в постагрогенных толщах.

5. Предлагаемое в классификации почв России использование горизонта W как показателя начальных стадий формирования гумуса в диагностике реградированных типов слабо и средне смытых постагрогенных почв не представляется логичным, поскольку его формирование в постагрогенных почвах происходит в гомогенной пахотной толще с высоким (более 1 %) содержанием гумуса и сильно отличающаяся по свойствам от исходной материнской почвообразующей породы.

6. Выявлены:

а) новый тип пахотных дерново-подзолистых почв, в котором агрогоризонт подстилается субэлювиальным горизонтом и ему предложено название - агродерно-во-остаточно-элювиальная; формула профиля P-BEL-BT-C;

б) новый подтип агрозема (агроабразема) текстурно-дифференцированного по-стагрогенного с серогумусовым горизонтом в постагрогенной толще, которому предложено название - дерновая текстурно-дифференцированная постагрогенная; формула профиля AY-(P) -ВТ-С.

Список работ соискателя, опубликованных по теме диссертации:

Публикации в изданиях рекомендуемые ВАК

1. Влияние составляющих водного баланса и температурного режима на свойства постагрогенных дерново-подзолистых почв Подмосковья / Г. С. Базыкина, Е. Б. Скворцова,

B. Д. Тонконогов, С. Ф. Хохлов // Почвоведение. - 2007. - № 6. - С. 685-697.

2. Герасимова М. И. Классификация почв России: обсуждение на сайте в интернете / М. И. Герасимова, С. Ф. Хохлов // Почвоведение. -2010. -№ 12. - С. 1449-1455.

3. Хохлов С.Ф. Свойства постагрогенных дерново-подзолистых почв при посадке ели по косимому лугу // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2014. - № 6. - С. 20-22

Публикации в материалах научных мероприятий

1 .Хохлов С. Ф. Постагрогенная трансформация дерново-подзолистых почв /

C. Ф. Хохлов // Почвы - Национальное достояние России. Материалы IV съезда Доку-чаевского Общества Почвоведов. Кн. 2. - Новосибирск, 2004. - С. 228.

2. Khokhlov S. F. Postagrogenic Transformation and Changes in the Water Balance of Loamy Soils under Spruce Plantation and Fallow in the Southern Taiga Zone / S. F. Khokhlov // 18Й World Congress of Soil Science, July 9-15,2006. Philadelphia, Pennsylvania, USA. - P. 224a

3. Хохлов С. Ф. Постагрогенная трансформация дерново-подзолистых почв и изменения их водного баланса в системе посадки ели - косимый луг за период 198023

2003 гг. / С. Ф. Хохлов // Агроэкологическое состояние и перспективы использования земель России, выбывших из активного сельско-хозяйственного оборота. - М. : ГНУ Почвенный институт им. В. В. Докучаева Россельхозакадемии, 2008. - С. 379-382.

Заказ № 09-Р/08/2015 Подписано в печать 05.08.15 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,2

ООО "Цифровичок", Москва, Большой Чудов пер., д.5 — тел. (495)649-83-30

)) www.cfr.ru ; e-mail: zakpark@cfr.ru